NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG CHO NGHỊCH LƯU BA PHA BA BẬC T-NPC

Nghiên cứu này nhằm mục tiêu: (1) Khám phá cấu trúc của nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC. (2) Xây dựng lý thuyết các phương pháp điều chế độ rộng xung như SPWM, SVPWM, và đề xuất kỹ thuật điều chế vector không gian dạng tổng quan (GNPWM). (3) Thực hiện mô phỏng và thực nghiệm nghịch lưu T-NPC nối lưới sử dụng các phương pháp điều khiển đã phát triển. Các mục tiêu này hướng tới việc nâng cao hiệu suất và chất lượng của hệ thống điện tử công suất.

Luận văn này tập trung vào các phương pháp điều khiển nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC trong ứng dụng nối lưới. Đặc biệt, luận văn giải quyết các vấn đề quan trọng như giảm điện áp Common mode và cân bằng điện áp điểm trung tính. Các phương pháp điều khiển này được kiểm chứng thông qua mô phỏng sử dụng phần mềm PLECS và thực nghiệm trên phần cứng dựa trên bản demo của Texas Instruments, sử dụng DSP TMS320F28379D và trình biên dịch Code Composer Studio.

Bộ nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC (3L-TNPC), như được mô tả trong tài liệu gốc, bao gồm 12 khóa công suất và hai tụ điện DC. Mỗi pha bao gồm bốn khóa, trong đó hai khóa T1x và T4x được kết nối nối tiếp với nguồn DC. Hai khóa T2x và T3x được kết nối nối tiếp và ngược chiều nhau, tạo thành một khóa hai chiều. Điểm giữa của hai khóa T1x và T4x được kết nối với điểm giữa của hai tụ điện DC. Cấu trúc này cho phép tạo ra ba mức điện áp đầu ra, giúp cải thiện hiệu suất và giảm sóng hài so với các cấu trúc nghịch lưu truyền thống.

Các khóa công suất trong bộ 3L-TNPC có thể sử dụng nhiều loại linh kiện bán dẫn khác nhau, bao gồm BJT, MOSFET, IGBT và GTO. Việc lựa chọn linh kiện phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng, như tần số chuyển mạch, điện áp và dòng điện định mức. Trong một số thiết kế, các loại linh kiện khác nhau có thể được kết hợp để tối ưu hóa hiệu suất. Ví dụ, MOSFET có thể được sử dụng cho các khóa T1x và T4x, trong khi IGBT có thể được sử dụng cho các khóa T2x và T3x. Điều này cho phép tận dụng ưu điểm của từng loại linh kiện, như khả năng chuyển mạch nhanh của MOSFET và khả năng chịu điện áp cao của IGBT.

Các trạng thái P, O và N đại diện cho điện áp dương, điện áp trung tính và điện áp âm tương ứng. Bảng 2.2 trong tài liệu gốc minh họa các trạng thái khóa (ON/OFF) tương ứng với từng trạng thái điện áp đầu ra. Việc duy trì các trạng thái cho phép và tránh các trạng thái không cho phép là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả của nghịch lưu T-NPC. Các trạng thái không cho phép có thể gây ra ngắn mạch và hư hỏng linh kiện.

Quá trình chuyển mạch giữa các trạng thái điện áp không diễn ra tức thời mà cần một khoảng thời gian nhất định. Việc phân tích quá trình chuyển mạch là cần thiết để hiểu rõ các vấn đề như tổn thất chuyển mạch và hiện tượng quá áp. Tài liệu gốc phân tích chi tiết quá trình chuyển mạch từ trạng thái P sang O, O sang P, N sang O, và O sang N, xét cả trường hợp dòng điện dương và dòng điện âm. Các hình 2.2 đến 2.9 trong tài liệu gốc minh họa rõ các trạng thái chuyển mạch khác nhau.

SPWM là một phương pháp điều chế PWM đơn giản và phổ biến. Trong SPWM, tín hiệu điều khiển được tạo ra bằng cách so sánh một sóng sine (tín hiệu tham chiếu) với một sóng mang (thường là sóng tam giác). Tần số của sóng sine xác định tần số của điện áp đầu ra, và biên độ của sóng sine xác định biên độ của điện áp đầu ra. SPWM dễ triển khai nhưng có hiệu suất và khả năng giảm sóng hài hạn chế so với các phương pháp PWM phức tạp hơn.

SVPWM là một phương pháp điều chế PWM tiên tiến hơn, dựa trên việc biểu diễn các điện áp đầu ra dưới dạng các vector không gian. SVPWM cho phép điều khiển chính xác hơn điện áp đầu ra và có khả năng giảm sóng hài tốt hơn so với SPWM. Trong SVPWM, không gian vector được chia thành các sector, và thuật toán PWM sẽ chọn các vector trạng thái phù hợp để tạo ra điện áp đầu ra mong muốn. Tài liệu gốc trình bày chi tiết về SVPWM cho nghịch lưu T-NPC, bao gồm cả việc xác định vị trí của vector tham chiếu trong các tam giác (region) và trình tự chuyển mạch.

Luận văn đề xuất kỹ thuật GNPWM (General Nearest Three Space Vector PWM), một cải tiến của SVPWM. GNPWM sử dụng các vector gần nhất để tạo ra điện áp đầu ra, giúp giảm sóng hài và cải thiện hiệu suất. Chi tiết về kỹ thuật GNPWM được trình bày trong luận văn, bao gồm cả phân vùng sub-sector và tính toán các thông số điều khiển.

Tài liệu gốc thảo luận hai phương pháp PLL: SRF-PLL (Synchronous Reference Frame PLL) và DSOGI-PLL (Double Second Order Generalized Integrator PLL). SRF-PLL là một phương pháp PLL phổ biến, sử dụng hệ quy chiếu đồng bộ để tách pha và tần số của tín hiệu lưới. DSOGI-PLL là một phương pháp PLL tiên tiến hơn, sử dụng hai bộ tích phân tổng quát bậc hai để cải thiện khả năng chống nhiễu và độ chính xác trong điều kiện lưới điện không lý tưởng. Hình 4.3 và 4.6 trong tài liệu gốc minh họa cấu trúc của SRF-PLL và DSOGI-PLL.

Điều khiển dòng điện và điện áp là cần thiết để đảm bảo rằng nghịch lưu cung cấp công suất mong muốn và duy trì điện áp ổn định trên bus DC. Tài liệu gốc trình bày các vòng điều khiển điện áp VDC và điều khiển dòng điện. Các vòng điều khiển này sử dụng các bộ điều khiển PI để đảm bảo đáp ứng nhanh và ổn định. Sơ đồ điều khiển tổng thể của nghịch lưu ba pha ba bậc T-NPC nối lưới được minh họa trong Hình 4.10.

Kết quả mô phỏng DSOGI-PLL trong các tình huống lưới sự cố được trình bày trong tài liệu gốc, chứng minh khả năng hoạt động ổn định của PLL trong điều kiện thực tế. Mô phỏng điều khiển vòng kín với tải trở và nối lưới cho thấy rằng nghịch lưu T-NPC có thể cung cấp công suất một cách hiệu quả và duy trì điện áp ổn định.

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng nghịch lưu T-NPC hoạt động tốt trong điều kiện thực tế. Điện áp và dòng điện đầu ra có dạng sine gần như lý tưởng, và độ méo hài (THDi) của dòng điện phía lưới thấp. Bảng 7.1 trong tài liệu gốc so sánh THDi của các phương pháp SPWM, CNPWM và GNPWM, cho thấy rằng GNPWM có hiệu suất tốt nhất.